三峽水庫下泄流量在廟河站流量資料整編中的應(yīng)用研究

，， ，，

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究目的和方法

三峽水利樞紐于1993年開工建設(shè)，2002年實現(xiàn)明渠截流，開始圍堰期發(fā)電；2009年開始175 m試驗性蓄水，按壩前水位175 m～145 m～175 m方式運行。廟河水文站測驗斷面位于三峽大壩上游，距大壩僅 12.7 km，是國家重要水文站及三峽工程專用水文站。受三峽水庫蓄水調(diào)度影響，該站已完全失去天然河流的水位流量關(guān)系，是典型的庫區(qū)站，對其流量整編方法提出了根本性的創(chuàng)新要求。

目前，國內(nèi)外對受水利工程影響的水文站流量資料整編有一定研究，但這些站受水利工程影響相對較小，尚存在一定的水位流量關(guān)系，可通過單值化、連實測流量過程線等方法解決。廟河站獨特的地理位置及水文特性決定了傳統(tǒng)的流量整編方法均不適用該站。本文力求從實際出發(fā)，根據(jù)水量平衡原理，采用實測資料探討廟河斷面流量-出庫流量的關(guān)系。

2 廟河站流量測驗方式方法

目前，廟河水文站采用巡測方式測驗，斷面最大水深常年保持在135～165 m之間。

使用美國RDI公司生產(chǎn)的300 kHz或150 kHz聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)，采用動船橫渡法施測。與使用轉(zhuǎn)子流速儀測流相比，ADCP具有自動化程度高、不擾動流場、測速范圍大、測流歷時短、無需垂直水流測驗和實時測量測流斷面形態(tài)等特點, 測流精度符合規(guī)范要求。

3 使用三峽大壩出庫流量進行流量整編

2012年以來，三峽水庫進入穩(wěn)定運行期，蓄水到達正常蓄水位175 m，而非之前的135 m，水深進一步加大，庫區(qū)水力條件再次發(fā)生重大變化。三峽水庫蓄水后，因大壩導流底孔和深孔啟閉頻繁，同樣引起壩上廟河斷面流量的波動。廟河斷面流量會在較短時間內(nèi)對三峽大壩閘門啟閉造成的出庫流量變化做出響應(yīng)，為本文的流量相關(guān)關(guān)系分析奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1 建立水量平衡方程

取廟河斷面至壩前這一段為研究對象，根據(jù)水量平衡方程，有

(1)

3.2 廟河至壩前洪水波動力學分析及研究時段的確立

下游三峽大壩的下泄流量調(diào)節(jié)會反過來影響到上游12.7 km處的廟河斷面，如同水槽試驗中出水孔的大小變化會影響距出水孔一定距離的水力學形態(tài)并產(chǎn)生流量的變化，這與天然河道經(jīng)過產(chǎn)匯流在河道中依靠重力、摩擦力、慣性力自上而下演化傳播的洪水波有本質(zhì)區(qū)別。

洪水波具有運動波特性和動力波特性。水庫中水深和水面寬度比天然河流明顯加大，原來在河道中以運動波為主的洪水波將轉(zhuǎn)化為以動力波為主。主要表現(xiàn)為波速變快, 波動衰減變急劇。

三峽大壩下泄流量調(diào)節(jié)變化傳播到廟河斷面的相應(yīng)流量的傳播時間是水庫洪水動力波傳播時間，求出傳播時間即可確定式(1)中的Δt。因此只需求出庫段波速，便可確定計算時段并進行水量平衡計算[1]。

由已有研究理論[2]可知，洪水波在水庫中的傳播速度可以由以下兩組特征微分方程求得：

(2)

(3)

(4)

根據(jù)資料可計算得出Δt：水位在175 m時水深很大，斷面平均流速很小，廟河流量對大壩出庫流量變化做出響應(yīng)的時間在500 s以內(nèi)；而低水位145 m左右傳播時間相對長一些，響應(yīng)時間也在600 s以內(nèi)。

將以上計算出的Δt代入式(1)中。觀察發(fā)現(xiàn)，在短時間內(nèi)，水位變化和河床沖淤引起的蓄水量變化可以忽略不計，區(qū)間入流及降水蒸發(fā)也可以忽略不計，且可認為廟河斷面流量變化是線性的。另外，據(jù)已有研究[3]，庫段內(nèi)降水量扣除水面蒸發(fā)量后，多年平均水量約為0.15億m3，對壩前庫段徑流影響可忽略。

因此，將式(1)簡化為

(5)

式(5)即是廟河斷面流量與下泄流量存在線性相關(guān)關(guān)系的理論基礎(chǔ)。

3.3 三峽水庫出庫流量計算

三峽水利樞紐工程泄流建筑物主要分為孔口出流和機組過流兩大類，其中孔口出流有壓滿出流(深孔)、堰閘出流(表孔)兩種形式。泄流組合復雜，下泄流量為各種泄流建筑物泄流量之和。三峽水庫各類出庫流量[4]按照《水工建筑物測流規(guī)范》(SL20-92)[5]的規(guī)定進行計算。

3.3.1 孔口出庫流量

(1)深孔泄流能力計算。深孔采用短有壓段接明流泄洪槽體型，庫水位高于104 m 時，有壓段為滿流，泄流能力按孔流公式計算。

(6)

式中，Q為泄流量，m3/s；H0為有壓段出口頂以上水頭，m；A為有壓段出口面積，m2；μ為流量系數(shù)。

(2)表孔泄流能力計算。表孔泄流能力按堰流公式計算。

(7)

式中，H為堰頂以上水頭，m;B為溢流凈寬，m;m為流量系數(shù)。

(3)排沙孔泄流能力計算。三峽工程布置若干個排沙孔。排沙孔泄流能力可按全淹沒孔流公式計算。

(8)

式中，ΔH為上下游水位差，m；A為出口控制斷面面積，m2。

(4)排漂孔泄流能力計算。三峽工程有若干排漂孔，泄流能力按堰流公式計算。

(9)

式中，H為進口孔底高程以上水頭，m。

3.3.2 機組過流量

發(fā)電水頭計算公式為：

H0=Z上-Z下-ΔH′

(10)

式中，H0為計算水頭(凈水頭)，m；Z上為電站廠前水位，m；Z下為下游尾水水位，m；ΔH′為水頭損失，m。

以計算水頭和相應(yīng)的機組出力查水輪機的N-H-Q關(guān)系曲線得到機組的發(fā)電流量，所有運行機組發(fā)電流量之和為三峽電站總發(fā)電流量。對于水位變化較大或負荷變化較大時，按時段加權(quán)平均法計算時段平均發(fā)電流量。

(11)

式中，Qfd,t為時段平均總發(fā)電流量，m3/s；M為機組數(shù)目；f(Ht,Nt)為單一機組發(fā)電流量，m3/s。

3.3.3 船閘用水量

2010～2016年，船閘多年平均過流量為Q船m3/s。

3.3.4 供水

自備水廠平均用水流量為Q供，m3/s。

以上各流量之和即為三峽大壩出庫流量。

3.4 出庫流量率定數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系分析

經(jīng)過廟河水文斷面流量，受上游來水過程控制和大壩泄流過程影響，比較兩種影響因素，大壩泄流影響相對更為突出。在上游來水不變的情況下，大壩加大泄流，廟河流量增大，反之則減小。

3.4.1 實測流量(非過程)與大壩泄流過程相關(guān)

一般情況下，廟河一次流量測驗歷時小于0.5 h，流量成果為測驗歷時內(nèi)的平均流量。

選擇2012～2016年廟河實測流量系列與同期大壩泄流流量系列以最小二乘法點繪相關(guān)圖，廟河流量與大壩泄流流量線性相關(guān)性達R2=0.988 2，可擬合為：

Q廟=0.939Q出+438.51

(12)

廟河實測流量比水庫出庫流量平均偏小約2.94%，離散度為 4.49%。表明廟河流量與水庫出庫流量存在系統(tǒng)性偏小。原因如下：①水庫出庫流量包括了區(qū)間入?yún)R流量(含壩前段水面降水扣除蒸發(fā)損失量)；②水庫出庫流量為利用水工建筑物泄流系數(shù)(水工實驗數(shù)據(jù))與水工建筑物泄流運用和壩上與壩下水位推求，含有綜合誤差；③廟河站流量測驗也存在隨機誤差，特別是小流量測驗誤差相對更大。另外，還存在出庫流量變化時造成的溢流量波動變化量誤差、出庫流量按時間比例直線內(nèi)插誤差以及區(qū)間入流量、蒸發(fā)量、河床沖淤量的省略誤差。

3.4.2 實測流量(過程)與大壩泄流過程相關(guān)

2016～2017年，為準確率定兩壩(三峽、葛洲壩)出庫流量，量化廟河斷面與三峽水庫出庫流量的關(guān)系，長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局安排實施了兩壩出庫流量率定實驗。選擇三峽水庫出流相對穩(wěn)定期(即壩前水位與泄流量均相對穩(wěn)定)開展率定，實際率定流量變幅為10 000～26 400 m3/s，未涵蓋大流量。三峽水庫總出庫流量為表孔出流、深孔出流、排沙排漂孔出流與機組出庫流量之和(極少數(shù)時間包括泄洪孔出流)，按照《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)[6]第4.5.2條規(guī)定，應(yīng)根據(jù)堰閘型式、閘門開啟情況、流態(tài)等因素按水力學基本公式分析，獲得不同出流情況下的水利因素與流量系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線或關(guān)系方程，用以推算過流流量。但因?qū)嶋H情況限制，三峽水庫出流不能單獨率定，只能對總出庫流量建立關(guān)系。按照《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)[7]第4.3.6條的規(guī)定，將廟河站實測流量序列中超過30 000m3/s的數(shù)據(jù)與率定資料合并處理，圖繪實測流量與大壩泄流量關(guān)系線見圖1。

圖1 三峽水庫出庫流量與廟河斷面實測流量相關(guān)關(guān)系

廟河流量與水庫出庫流量線性關(guān)系可擬合為

Q廟=0.984Q出+130.41

(13)

2012～2016年，使用上式計算的廟河流量與廟河站實測流量相比，平均相對誤差 2.63%，離散度分別為 4.58%。即計算的廟河流量序列略大于與廟河站實測流量序列。與水庫出庫流量相比，平均相對誤差為 -0.70%，離散度為 0.39%，較真實地反映了廟河流量與水庫出庫流量間的相互關(guān)系。

3.5 流量整編及精度統(tǒng)計

根據(jù)以上分析，廟河流量與大壩下泄流量有較好的線性相關(guān)關(guān)系，即可用利用水工建筑物計算得出的大壩下泄流量來整編廟河流量。

使用公式(13)對出庫流量進行修正，并與實測流量測點進行誤差分析，滿足整編精度要求。綜合下泄流量率定誤差來源主要有廟河流量測驗誤差、綜合下泄流量量測誤差、出庫流量變化時造成的溢流量波動傳播變化量、出庫流量按時間比例直線內(nèi)插誤差以及區(qū)間入流量、蒸發(fā)量、河床沖淤量等因素省略誤差。

用該公式修正2009～2016年的下泄流量后，采用SHDP2.0程序整編，與下游黃陵廟(陡)站、宜昌站流量整編成果比對，檢驗其流量整編精度。從結(jié)果可以看出，廟河站采用該整編方法的計算年徑流量偏差在3%以內(nèi)，且過程線趨勢、與黃陵廟(陡)站、宜昌站流量整編結(jié)果符合上下游對照關(guān)系。由于水利工程調(diào)節(jié)影響，特征值出現(xiàn)的時間略有差異；各年徑流總量和各時段最大洪量均符合上下游對比關(guān)系。每年月平均流量過程線趨勢、洪峰流量過程及日均流量過程吻合良好，日均流量過程與逐時流量過程均吻合較好。

綜合以上分析，受三峽、葛洲壩水利樞紐調(diào)節(jié)影響，廟河站的年徑流量、年平均流量均系統(tǒng)略偏小于宜昌站，符合上下游比對原則。

因此，廟河站通過實測流量與水庫出庫流量建立關(guān)系，利用三峽水庫出庫流量整編方法可行、精度可靠并滿足《水文資料整編規(guī)范》要求。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，廟河斷面采用走航式ADCP施測流量測驗方法合理、成果精度滿足要求，但存在應(yīng)合理選擇測驗時機的問題。廟河斷面流量與三峽水庫出庫流量存在良好的相關(guān)關(guān)系，且具備堅實的理論基礎(chǔ)，建立關(guān)系后用于推流效果良好，符合規(guī)范精度要求，符合上下游關(guān)系。

(1)采用基于三峽大壩下泄流量整編后，可進一步減少流量測次，流量測驗年測次宜為10～15次；測次按流量級均勻分布，宜適量增加35 000 m3/s以上測次。

(2)廟河斷面受水力特性限制，宜采用300 kHz或150 kHz ADCP施測，應(yīng)確保低水測驗精度，流量測驗應(yīng)保證單次測驗精度。

(3)廟河斷面流量過程可以大壩下泄流量為基礎(chǔ)，采用公式(13)來計算并用于流量整編。

(4)測流時機的選擇應(yīng)盡量避開三峽電廠出力變化急劇的時段，以便能對應(yīng)準確的下泄流量。